高分六號(hào)衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用成果

文 | 陸春玲 白照廣 胡志勇 邸國棟 竇毅芳 許鵬

航天東方紅衛(wèi)星有限公司

一、高分六號(hào)衛(wèi)星簡介

高分六號(hào)（GF-6）是一顆高分辨率寬覆蓋衛(wèi)星，也被稱為“農(nóng)業(yè)衛(wèi)星”，于2018年6月2日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2019年3月21 正式投入使用。GF-6 衛(wèi)星是一顆三軸穩(wěn)定的對地觀測衛(wèi)星，運(yùn)行在軌道高度約645km 的太陽同步回歸軌道上，降交點(diǎn)地方時(shí)10:30AM。衛(wèi)星具有高分辨率、寬覆蓋、高質(zhì)量成像、高效能成像、國產(chǎn)化率高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)壽命8年，配置了一臺(tái)高分相機(jī)和一臺(tái)寬幅相機(jī)。高分相機(jī)采用全色和藍(lán)、綠、紅、近紅外五譜合一的TDICCD 探測器，全色分辨率2m，多光譜分辨率8m，全色及多光譜共用一套光學(xué)系統(tǒng)，采用干涉濾光片進(jìn)行光譜分光，兩者推掃幅寬均為95km；寬幅相機(jī)采用8 譜段國產(chǎn)化CMOS 探測器，在常用的藍(lán)、綠、紅、近紅外四個(gè)譜段基礎(chǔ)上，首次增加了兩個(gè)能夠有效反映作物特有光譜特性的紅邊譜段，以及海岸藍(lán)和黃譜段。以星下點(diǎn)16m 的分辨率一次推掃成像860km 的幅寬，收集8 個(gè)譜段的圖像信息，是世界先進(jìn)的超寬遙感器，可以用于大范圍的陸地覆蓋觀測。

目前衛(wèi)星已與在軌的其他2m/8m 和16m 衛(wèi)星形成7 星組網(wǎng)星座，將單星全球重訪周期4 天提升為星座重訪周期1 天。采用軌跡占位原理對各星觀測任務(wù)進(jìn)行協(xié)同分配，使得2m/8m 相機(jī)能夠全球1天重訪和11 天無側(cè)擺覆蓋，16m 相機(jī)實(shí)現(xiàn)1 天全球覆蓋。真正實(shí)現(xiàn)了空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率的優(yōu)化組合，滿足多種空間分辨率、多種光譜分辨率、多源遙感數(shù)據(jù)需求。截至2020年底，GF-6 衛(wèi)星已在軌穩(wěn)定運(yùn)行2.5年。GF-6 衛(wèi)星參數(shù)見表1。

表1 GF-6 衛(wèi)星參數(shù)

二、衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念

GF-6衛(wèi)星載有一臺(tái)高分相機(jī)和一臺(tái)寬幅相機(jī)，并載有三臺(tái)艙外監(jiān)視相機(jī)和一臺(tái)健康監(jiān)測單元。在一顆衛(wèi)星上同時(shí)具有高分辨率成像和寬覆蓋成像能力，是首顆設(shè)計(jì)壽命8年的低軌光學(xué)小衛(wèi)星。

衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念是打造小衛(wèi)星長壽命、高可靠衛(wèi)星平臺(tái)，突破超大視場離軸相機(jī)成像技術(shù)，以精致為用的高質(zhì)量、高精度成像質(zhì)量樹立品牌，以多模式、組網(wǎng)觀測的好用、易用性服務(wù)于業(yè)務(wù)化應(yīng)用。區(qū)別于以往多相機(jī)、多角度視場拼接形成大幅寬觀測的衛(wèi)星，該衛(wèi)星首次以單相機(jī)體制實(shí)現(xiàn)超大視場成像。因此，衛(wèi)星緊密圍繞載荷高性能成像的核心，在總體設(shè)計(jì)、載荷研制、長壽命高可靠設(shè)計(jì)及星地一體化提高成像質(zhì)量方面都采取了相應(yīng)的措施，采用了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真、試驗(yàn)方法，創(chuàng)新性地增加了雙紅邊等4 個(gè)譜段，應(yīng)用了對月成像、對月相對輻射定標(biāo)成像、可視化成像及自主健康管理等新模式，為后續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用型對地觀測小衛(wèi)星奠定了基礎(chǔ)。

三、衛(wèi)星成像模式

衛(wèi)星可獲取硅探測器所能覆蓋的0.4～0.9μm可見至近紅外譜段內(nèi)的全色及多光譜數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對全球的高頻次覆蓋觀測。在常用的實(shí)傳、記錄、回放模式基礎(chǔ)上，針對兩種相機(jī)覆蓋特性及我國國土區(qū)域和地面接收站接收區(qū)域特性，增加了以下高頻使用模式：

①實(shí)傳+記錄模式：1 個(gè)相機(jī)成像實(shí)傳，另1個(gè)相機(jī)成像記錄；

②回放+記錄模式：先回放已記錄的圖像，再雙相機(jī)開機(jī)成像記錄。

以上模式的雙相機(jī)開關(guān)機(jī)時(shí)間及數(shù)傳時(shí)間都是解耦設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)模板。如圖1 所示，數(shù)傳地面站在衛(wèi)星未進(jìn)入國境但與衛(wèi)星可見時(shí)，開始回放星上存儲(chǔ)的已拍攝圖像（綠色區(qū)域?yàn)榛胤艜r(shí)段）；當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入我國境內(nèi)后，再開啟雙相機(jī)對國土區(qū)域成像（黃色區(qū)域?yàn)橛涗洉r(shí)段）；這些模式使成像區(qū)域與接收弧段解耦，可充分利用地面站數(shù)傳接收弧段，并雙相機(jī)同時(shí)對我國區(qū)域成像，使針對國土的數(shù)據(jù)有效性顯著提高。

圖1 成像區(qū)域（黃色）與接收弧段（綠色）解耦的模式

四、技術(shù)創(chuàng)新成果

1. 高性能、高精度、高效能、高可靠、高國產(chǎn)化衛(wèi)星

GF-6 是首顆設(shè)計(jì)壽命為8年的小衛(wèi)星，優(yōu)化配置了整星姿控、電源、測控系統(tǒng)，對影響壽命的單機(jī)均進(jìn)行了地面加速壽命試驗(yàn)。整星系統(tǒng)加強(qiáng)同構(gòu)、異構(gòu)冗余設(shè)計(jì)；長期工作的單機(jī)均有切機(jī)瞬時(shí)斷電措施，以消除單粒子效應(yīng)影響。軟硬件配合，基于星務(wù)主機(jī)實(shí)現(xiàn)了整星系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)及單機(jī)級(jí)的多級(jí)故障檢測、隔離和恢復(fù)的自主安全模式控制。衛(wèi)星具有高分辨率和寬覆蓋的載荷配置，12bit 量化，輻射性能比10bit 量化提高了4 倍；相機(jī)系統(tǒng)具有信噪比高、動(dòng)態(tài)范圍寬、傳函高、內(nèi)部幾何精度高的優(yōu)異性能；加之兩臺(tái)相機(jī)采用高比剛度、低熱畸變、高體份鋁基碳化硅材料做框架，采用鉸鏈支撐進(jìn)行隔振、隔熱；整星按轉(zhuǎn)動(dòng)部件微振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行部件布局精細(xì)優(yōu)化，使相機(jī)、星敏在穩(wěn)定的力、熱環(huán)境下工作。衛(wèi)星在軌組網(wǎng)觀測，實(shí)現(xiàn)高分相機(jī)和寬幅相機(jī)高效全球觀測。

2. 五譜合一、無畸變高分相機(jī)

8 片傳感器5 個(gè)譜段、全反全透“一字”拼接的高分相機(jī)采用無畸變、全反射式離軸光學(xué)系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)原理上保證了相機(jī)成像具有光學(xué)系統(tǒng)像差小、內(nèi)部幾何精度高、配準(zhǔn)精度高的特點(diǎn)。星敏感器與高分相機(jī)一體化安裝，有效減小了星敏感器對指向精度的影響以及在軌力、熱環(huán)境引起的星敏光軸與相機(jī)光軸夾角變化，提高了相機(jī)的外方位元素準(zhǔn)確度。

3．自由曲面超大視場寬幅相機(jī)

8 片傳感器8 個(gè)譜段的寬幅相機(jī)采用世界先進(jìn)的自由曲面、全反射式離軸光學(xué)系統(tǒng)，65.6°超大視場。采用自由曲面設(shè)計(jì)使得光學(xué)系統(tǒng)的空間布局大為壓縮，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能得到優(yōu)化，成像質(zhì)量極大改善，得以用單相機(jī)體制實(shí)現(xiàn)超大幅寬成像。從視場中心到邊緣的地面像元分辨率連續(xù)變化，照度均勻性好，畸變得到最大限度的控制。首次采用國產(chǎn)化CMOS 成像探測器，全數(shù)字輸出，低功耗；相機(jī)增加星上像元級(jí)均勻性校正功能，且在軌可修改系數(shù)。寬幅相機(jī)還具有“抗黑太陽”功能，對亮雪等高反目標(biāo)成像不會(huì)出現(xiàn)飽和翻轉(zhuǎn)、溢出、污染其他像元的現(xiàn)象。

4. 高效的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

具備雙通道450Mbit/s，共計(jì)900Mbit/s 星地?cái)?shù)傳速率；采用巧妙的載荷通道分配方法，均衡化不同譜段載荷數(shù)據(jù)流，使記入固存的空幀率顯著減少，載荷記放比提高了30%。衛(wèi)星的固存容量增至2T，主備共4T 容量開放使用，且可隨時(shí)擦除已回放的文件，即使半個(gè)文件的空間也可隨時(shí)釋放，使固存工作在“記不滿”狀態(tài)，增大了境外數(shù)據(jù)獲取效能。

5. 可視化遙測技術(shù)

以往衛(wèi)星的遙測都是數(shù)據(jù)形式展示，GF-6 衛(wèi)星增設(shè)了三臺(tái)以圖像形式實(shí)時(shí)播報(bào)±Y 太陽翼展開、數(shù)傳天線展開的可視化遙測單元。在軌后，可對星外狀態(tài)進(jìn)行長期在軌監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)可視化遙測判讀。

6. 自主健康監(jiān)測技術(shù)

具有監(jiān)聽、統(tǒng)計(jì)、分析整星總線數(shù)據(jù)的能力，可星上統(tǒng)計(jì)載荷、數(shù)傳工作時(shí)間、次數(shù)、燃料余量、電池放電深度等生成新的遙測信息。具有參數(shù)超限報(bào)警等功能，為長壽命衛(wèi)星的自主監(jiān)測提供了手段。

五、衛(wèi)星應(yīng)用成果

1．?dāng)?shù)據(jù)獲取量

目前遙測數(shù)據(jù)顯示，寬幅相機(jī)的成像時(shí)間和次數(shù)大于高分相機(jī)。在2019年第4 季度成像數(shù)據(jù)量達(dá)到高峰，寬幅相機(jī)每日數(shù)據(jù)獲取量為3600 萬平方千米；高分相機(jī)每日數(shù)據(jù)獲取量為300 萬平方千米。

寬幅相機(jī)860km 超大覆蓋寬度的效能是普通百千米量級(jí)遙感器的8 倍。一景面積約為34 萬平方千米，特別適合省級(jí)尺度的大范圍遙感監(jiān)測。雙相機(jī)數(shù)據(jù)每日更新，全球覆蓋。圖2 為高分相機(jī)2m 彩色融合圖像西班牙巴塞羅那港，圖3 為寬幅相機(jī)一景圖像860km 視野橫跨英吉利海峽。

圖2 高分相機(jī)2m 彩色融合圖像西班牙巴塞羅那港

圖3 寬幅相機(jī)一景圖像860km 視野橫跨英吉利海峽，西至英國威爾士，東至比利時(shí)布魯塞爾

2. 新增譜段應(yīng)用

新增的紅邊譜段是介于紅和近紅外譜段之間、綠色植物的反射率快速增加的一個(gè)譜段區(qū)間，約為680 ～780nm[1]，紅邊譜段是綠色植被光譜最明顯的特征之一。GF-6 衛(wèi)星在此范圍內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)紅邊譜段，即B5、B6 譜段。由于植被反射率在紅邊譜段躍變，且紅邊譜段對病害脅迫也較為敏感。因此紅邊遙感引入了更豐富的光譜、顏色信息，對植被類型的區(qū)分大幅改善，分類精度明顯提高。特別適用于地表類型識(shí)別、作物參數(shù)計(jì)算、作物養(yǎng)分含量、作物病害或環(huán)境脅迫監(jiān)測等方面。如圖4（b）所示，寬幅相機(jī)4、6、5 紅邊譜段組合圖像比傳統(tǒng)的藍(lán)綠紅譜段合成的真彩色圖像，見圖4（a），能更清楚地看清作物生長情況。目前已有軟件可將寬幅相機(jī)和高分相機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可形成2m 8譜段數(shù)據(jù)集。這樣的圖像產(chǎn)品既將寬幅相機(jī)圖像紋理信息增強(qiáng)了8 倍，又給2m 分辨率圖像賦能了8 個(gè)譜段的光譜信息，如圖4（c）所示。

圖4 寬幅相機(jī)不同譜段組合圖像

新增的黃譜段對土壤、泥沙敏感，基于近紅外和黃譜段建立的差值植被指數(shù)比應(yīng)用近紅外和紅波段建立歸一化植被指數(shù)更能有效反映擾動(dòng)信息變化情況[2]。采用新增譜段信息，分類總體精度比采用傳統(tǒng)的可見光-近紅外影像提高10%～30%。其中道路的識(shí)別精度從55%提高到80%；水體的識(shí)別精度從85%～90%提高到95%～98%；耕地相對于其他植被覆蓋的分類精度也有類似的提高[3-4]。

3．?dāng)?shù)據(jù)共享

GF-6 衛(wèi)星是具有業(yè)務(wù)應(yīng)用特點(diǎn)的科研星，高分辨率和寬幅成像能力結(jié)合，可滿足多種空間分辨率、多種光譜分辨率、多源遙感數(shù)據(jù)需求，16m 分辨率8譜段寬幅相機(jī)數(shù)據(jù)更適合敏感譜段組合應(yīng)用。高分相機(jī)和寬幅相機(jī)數(shù)據(jù)已成為“國土資源一張圖”、“全國水利一張圖”、“農(nóng)業(yè)一張圖”等“一張圖”工程的重要數(shù)據(jù)源，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、國土、環(huán)保、水利等領(lǐng)域，取得了可觀的效益。

2019年12月，國家航天局推出GF-6 衛(wèi)星16m 分辨率數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)（CNSA-GEO 平臺(tái)），正式面向全球開放共享16m 數(shù)據(jù)[5]。2020年，中國科技部與歐洲航天局（ESA）的重大國際科技合作項(xiàng)目—中歐“龍計(jì)劃5”項(xiàng)目，利用共享的16m數(shù)據(jù)，中歐雙方將開展廣泛深入的遙感應(yīng)用合作研究、技術(shù)培訓(xùn)、學(xué)術(shù)交流等工作。

六、結(jié)束語

GF-6衛(wèi)星及其星座組網(wǎng)觀測的時(shí)間頻率增加，使得月度、乃至天的監(jiān)測成為可能；譜段數(shù)量增加，尤其是紅邊譜段、海岸藍(lán)、黃譜段等敏感譜段應(yīng)用，對水體、植被的監(jiān)測更加到位，地物區(qū)分度更加精準(zhǔn)，有利于地物分類識(shí)別；量化位數(shù)增加，輻射分辨率、信噪比提高，圖像直方圖展寬，灰度分層更加細(xì)膩，使光照條件差的高緯度極區(qū)探測成為可能；高、中空間分辨率結(jié)合，可提取違建等小目標(biāo)；采用單相機(jī)體制，內(nèi)部幾何畸變很??；通過后期算法加工，可以將16m 寬幅和2m 融合，得到2m 8 譜段增強(qiáng)產(chǎn)品。

經(jīng)過兩年多的在軌應(yīng)用，高分相機(jī)數(shù)據(jù)已完成多遍全國覆蓋，寬幅相機(jī)數(shù)據(jù)已完成多遍全球覆蓋，數(shù)據(jù)也已全球共享。GF-6 衛(wèi)星與其他衛(wèi)星組網(wǎng)協(xié)同觀測，在時(shí)間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率和空間分辨率上優(yōu)勢明顯，高性能、高效能的用戶體驗(yàn)出色。特別是雙紅邊譜段、海岸藍(lán)和黃譜段的應(yīng)用，進(jìn)一步增強(qiáng)了衛(wèi)星的特色應(yīng)用效果，為遙感產(chǎn)品定量化和高精度遙感應(yīng)用開拓了新方向。與其他在軌國產(chǎn)衛(wèi)星相互配合，將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的深入應(yīng)用。